帶有串行接口的功率/電能計量芯片CS5460及其應用

摘要：CS5460是CRYSTAL公司最新推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片，該芯片比目前比較流行的電子電度表芯片如AD7750、AD7755更容易實現與微處理器的連接。用CS5460可以方便的組成多功能電子式電度表和分布電度表和分布式電能計量管理系統。本文詳細地介紹了 CS5460的功能和使用方法。
關鍵詞：CS5460；串行接口；功率/電能；計量；應用
1. 概述
CS5460是CRYSTAL公司最新推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片。與目前在電子式電度表應用中廣泛使用的 AD7750和AD7755（見《國外電子元器件》1999年第3期文章）相比較，CS5460增加了以下功能：
●具有片內看門狗定時器（Watch Dog Timer）與內部電源監視器；
●具有瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值測量及電能計量功能；
●提供了外部復位引腳；
●雙向串行接口與內部寄存器陣列可以方便地與微處理器相連接；
●外部時鐘最高頻率可達20MHz；
●具有功率方向輸出指示。
這些增加的功能更加便于與微處理器（MPU）接口，并能方便地實現電壓、電流、功率的測量和用電量累積等功能。

2. 基本結構與技術指標
2.1 內部結構
CS5460內部集成了兩個△-∑A/D轉換器、高、低通數字濾波器、能量計算單元、串行接口、數字-頻率轉換器、寄存器陣列和看門狗定時器等模擬、數字信號處理單元,其內部結構框圖如圖1所示。
2.2 引腳排列及功能
CS5460的引腳排列如圖2所示。各引腳的功能如下：
1腳XOUT：晶體振蕩器輸出；
2腳CPUCLK：CPU時鐘輸出；
3腳VD+：數字電路電源正極；
4腳DGND：數字地；
5腳SCLK：串行時鐘輸入；
6腳SDO：串行數據輸出；
7腳CS：片選；
8腳NC：空腳；
9腳VIN+：差分電壓正輸入端；
10腳VIN-：差分電壓負輸入端；
11腳VREFOUT：參考電壓輸出；
12腳VREFIN：參考電壓輸入；
13腳VA-：模擬地；
14腳VA+：模擬電源正極；
15腳IIN-：差分電流負輸入端；
16腳IIN+：差分電流正輸入端；
17腳PFMON：電源掉電監視輸出；
18腳NC：空腳；
19腳RESET：復位輸入；
20腳INT：中斷輸出；
21腳EOUT：電能脈沖輸出；
22腳EDIR：功率方向指示輸出；
23腳SDI：串行數據輸入；
24腳XIN：晶體振蕩器輸入。

2.3 主要技術指標
●差分電壓輸入范圍：150mV；
●溫度系數：＜60ppm/℃
●功率消耗：＜10mW；
●電能計量精度：在300∶動態范圍以上每秒讀取0.1％;
●電壓測量精度：讀數的0.1％;
●電流測量精度：讀數的0.1％;
●瞬時功率測量精度：讀數的0.1％。

3. 串行接口及其操作
3.1 串行接口
CS5460的串行口包括4條控制線：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片選CS直接與邏輯0相連接，則只需要3條線就可以完成串行口的操作，通過實驗還發現，如果將串行數據輸入SDI和串行數據輸出SDO連在一起，同樣可以進行串行通讀，而且僅需要兩條接口線，這對于使用AT89C1051和AT89C2051的系統是極為有利的。
一個數據的傳輸總是從向串行接口的SDI發送8位命令開始的，當命令中包括一個寫入振作時，在其后的24個SCLK周期內，串口將持續從SDI引腳讀入串行數據。當發出一個讀取命令時，串口將根據發出的命令，在其后的 8、16、24個SCLK周期從SDO引腳上串行輸出寄存器內容。圖3所示為讀寄的時序。
3.2 內部寄存器分配
CS5460內部集成了包括偏置寄存器、增益寄存器、脈沖速率寄存器和參數寄存器等16個寄存器，還集成了串行口發送寄存器、串行口接收寄存器和一個命令解釋狀態機，這些寄存器用來完成對 CS5460的設置、采集數據的存儲和串行輸入輸出的控制，CS5460內部寄存器分配圖如圖4所示。

在系統初始化或復位后，CS5460內部寄存器初始化為以下狀態:
配置寄存器：0X000001
偏置寄存器：0X000000
增益寄存器：0X400000
脈沖速率寄存器：0X0FA000
周期計數寄存器：0X000FA0
時基寄存器：0X800000
狀態寄存器：0X000001
屏蔽寄存器：0X000000
有符號寄存器：0X000000
無符號寄存器：0X000000
3.3 命令解釋及操作
對CS5460的操作是通過向其傳輸命令字來實現的， CS5460提供了寄存器的讀/寫和校準控制等在內的7個操作命令，所有的命令長度均為1個字節（8位）。命令狀態機在SCLK 的上升沿解釋8位命令字，它將命令字解釋為公認的標準，同時為數據的傳輸作好準備。本文僅以寄存器讀/寫命令為例加以簡要說明，詳細內容請參考 CS5460用戶手冊。
寄存器讀/寫命令：
這個命令通知狀態機需要對寄存器進行訪問，在8個SCLK時鐘周期內，地址寄存器的讀取被加載到輸出緩沖區，在第24個SCLK時，寫人數據被傳輸到輸入緩沖區。
其中：W/R：寫入/讀取控
0=讀取寄存器
1=寫入寄存器
RA0～RA4：寄存器地址位

4.CS5460的應用
4.1 電度表
CS5460可以用來測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電能以及電壓和電流的有效值，測量結果將以 24位有符號或無符號形式存儲在內部寄存器中，另外，CS5460還提供了電能計量脈沖輸出端口EOUT和功率方向端口EDIR，因而可以方便的與步進電機計數器連接構成簡單的電度表。當晶振的頻率為4.096MHz，分頻比為1，且兩個轉換器的直流輸入皆為最大值時，輸出脈沖的頻率與脈沖速度寄存器的頻率相同。
圖5所示為一個典型的電度表電路，它的基本電流有效值Ib=20A，相線電壓有效值V=220V（50Hz），計量常數K=500imp/kWh，假定量大電流有效值為Imax=100A，最大電壓有效值為Vmax=300V，根據CS5460的差分電壓輸入和差分電流輸入最大值為150mV的技術指標，則電流和電壓通道互器的變比Ki、Kv分別1/10000和1/20000。
當選取電流互感器二次側最大電流為10mA時，二次側取樣電阻R1的值應為15Ω。
4.2 由CS5460構成的分布式電能計量控制系統
目前我國高校學生公寓普遍采用限電措施來控制學校電能利用，公寓管理社會化后，限制學生用電凈改為鼓勵學生安全用電，從而將采用限制安全功率、限制基本電費、超量收費的形式。為了適應市場的需要，我們采用 CS5460設計了分布式電能控制系統，實現了公寓用電管理的分散控制和集中管理。圖6是由CS5460構成的分布式電能計量控制系統圖。該系統的特點是：

●單線（或電力載波）傳輸，減少了工程施工量和線路造價。
●前端采用AT89C2051系列單片機和CS5460芯片，實現了功率、電流、電壓栓測和電能計量等功能，性能價格比高，運行穩定可靠。
●采用RS485（或CAN總線）通訊標準，傳輸距離遠，易于組網。
●可對用電功率、電流、電量進行集中臨界測和控制。